CN1982699B - 根据转速用于风力装置的转矩和节距控制的方法 - Google Patents

Abstract

一种在风力装置中按照特征曲线根据转速进行转矩和节距控制/调节的方法，其中在第一段部分载荷操作，转矩被调节达到第一预定转速，在第二段部分载荷操作，转矩从第一转速被调节达到第二转速，在第三段完全载荷操作，调节转子叶片的至少一个节距以使得转速大于第二转速，在第四段完全载荷操作，调节节距以使得转速小于第二转速并且大于第三转速，如果已经在先根据第三段进行了控制的话，如果已经在先根据第四段进行了控制的话，在第五段部分载荷操作时，调节转矩以使得转速小于第三转速。

Description

根据转速用于风力装置的转矩和节距控制的方法

技术领域

本发明涉及一种根据转速用于风力装置的转矩和节距控制/调节的方法。该方法用于节距控制的风力装置根据转速确定用于发电机转矩的最佳基准值。

背景技术

风力装置在有风状况下由控制***从起动风转速起动，并且又在高风速下关闭，即关闭的风转速，以防止机械过载。风速例如由风速计检测或者从转子的转速和所产生的动力计算得到。

以可变转速操作的节距控制的风力装置是已知的。在节距控制期间，对每个转子叶片的叶片节距关于其纵轴线进行调节。在不同的叶片节距，相应的转子叶片从风聚集不同的转矩。

对于风力装置的控制/调节，已知的是在两种操作模式之间区别。第一种操作模式表示为部分载荷操作，其中，通过设定转矩来调节转速。第二种操作模式是满载荷操作，其中，通过调节节距来调节转速。

为了获得风力装置的最佳动力输出，部分载荷范围内的风力装置的转速被设定在转子的圆周转速与风速之间的最佳比(λ_opt)。因此，转子叶片以一叶片角度设定，该角度产生对转子轴产生最高驱动转矩。转子的转速在部分载荷范围内由发电机和/或转换器上产生的反转矩设定。

如果，在标称风速下，通过进一步增大发电机转矩在发电机上达到了最大反转矩，那么转速可能不再被维持在操作点。因此避免了***的过载，因为叶片的空气动力效率降低并且所述叶片从最佳节距移出。这个过程的专业术语也是“调节(pitch)”。转子的转速因而在达到最大发电机转矩之后受到叶片的节距的影响。

从EP 1 007 844 B1中已知一种可变速度的风力装置，其具有绕线转子感应发电机。为了操作这种已知的风力装置，已知一种转矩控制器以及与转矩控制器无关地操作的节距控制器。

发明内容

本发明的技术目标是提供一种根据转速用于风力装置的转矩和节距控制的方法，其给出了特别高的输出。

根据本发明，这个目标由提供一种根据特征曲线、基于转速控制/调节风力装置的转矩和节距的方法来实现，其中在特征曲线的第一段的部分载荷操作，转矩被调节，以达到第一预定转速n₁，在特征曲线的第二段的部分载荷操作，转矩被调节，以便从第一预定转速n₁达到第二转速n₂，在特征曲线的第三段的满载荷操作，转子叶片的至少一个节距被调节，以使转速大于第二转速n₂，如果根据特征曲线的第三段已经在先进行了控制，在特征曲线的第四段的满载荷操作，节距被调节，以使转速低于第二转速n₂并且大于第三转速n₃，如果根据特征曲线的第四段已经在先进行了控制，在特征曲线的第五段的部分载荷操作，调节转矩用于低于第三转速n₃的转速。

根据本发明的方法用来根据转速控制转矩和节距。在这一点上，根据预定的特征曲线进行控制。特征曲线根据转子转速预定用于发电机转矩的基准值，即用于适于发电机的转矩的基准值。那么用于发电机的基准值就由相应的控制***设定或调节。为了获得所需要的基准值，控制***改变电动机所接收的动力和转子叶片的节距。控制***也可以构造为自动控制***。在风力装置上的部分载荷操作且在第一段的转矩被调节到第一转速(n₁)。第二段邻接第一段，并且其中，还是在部分载荷操作，转矩从第一预定转速(n₁)被调节到第二转速(n₂)。在满载荷操作时且在第三段，节距被调节用于大于第二转速(n₂)的转速。在满载荷操作且在第四段，节距被调节用于转速大于第三转速(n₃)并且小于第二转速(n₂)的速度。如果已经在先根据特征曲线的第四段进行了控制，在部分载荷操作且在第五段，调节转矩用于转速小于第三转速(n₃)的速度。根据本发明的方法具有在部分载荷操作时的转矩调节，其仅在在先已经根据第四段进行控制时才触发。具有根据本发明的方法，因此，在满载荷操作时，在第二转速(n₂)与第三转速(n₃)之间的转速范围内进一步进行节距调节，而不是改变到部分载荷操作。如果转子的转速进一步下降，则在部分载荷操作下根据第五段调节转矩，控制***以线性方式返回到第二或第一段，优选地是在达到最小节距时。

特别优选地，如果转子叶片的节距超过预定值，那么就进行根据特征曲线第四段的控制。因此，具有根据本发明的方法，在满载荷操作下，以介于n₂与n₃之间的转速监视是否超过了预定最小的节距。如果超过了该节距，转子叶片中仍然呈现足够的动“能”以避免立即返回到部分载荷操作。而且，在小于第二转速n₂的转速时，因此还进行节距的调节。特征曲线在第四段处被分支。最小节距优选地大于0.5°且小于5°。在一个特别优选的实施例中，节距的尺寸在1°和3°之间。

如果，对于小于n₂的转速，仍然存在着足够大的节距，控制***仍然处于满载荷操作并且进行节距的调节，控制***然后返回到部分载荷操作。为此，转矩优选地降低并且转速增大直到呈现第二段的转速。从具有第四和第五特征曲线段的满载荷操作返回到用于部分载荷的第二特征曲线段的特征曲线在下文中称作第六特征曲线段。

特征曲线第四段中满载荷操作的持续提供了优点：切换回到部分载荷操作仅在稍后出现并且因而风力装置能在满载荷下操作更长时间。

以本发明的方法，在特征曲线的第一段，在转速增大情况下，转矩增大，直到转速已经达到预定的转速值n₁。优选地在特征曲线的第二段，在转速增大情况下，转矩比在第一段更迅速地升高。在第三段，转矩被调节至恒定值。从第五转速n₅，方便地，在转速增大情况下触发转矩的下降。借助于转矩的下降，避免了风力装置在高转速时的过载。

优选地，在特征曲线的第四段，节距被调节到基本上恒定的转矩值。方便地，在特征曲线的第五段，转矩比在特征曲线的第一段更快速地升高，以使得低转速下的风力装置可以从满载荷操作移动回到第一特征曲线。特征曲线在第二段中的升高(这意味着在转速增加很小的情况下转矩增加很大)用作在起动后在超出部分载荷操作情况下尽可能快地达到满载荷操作的目的，以使得能够尽可能快地在满载荷操作下驱动风力装置。

具有根据本发明的方法，第三转速n₃大于第一转速n₁且第四转速n₄小于第一转速n₁。

附图说明

下面将结合附图更详细地描述根据本发明的方法。

仅有的一个附图示出了用于具有特征域调整(characteristic fieldregulation)的风力装置的控制行为的一组特征曲线。

具体实施方式

特征域调整具有标识为10的第一段，其中，由发电机转速12施加发电机转矩14。在特征曲线段10的第一起动段16，发电机转矩随着转速以线性方式增大。第一段的第二部分18与第一启动段16邻近，其中，转矩不以线性方式遵循转速。因此，转矩增大达到第一转速值n₁。在特征曲线的第一段的第二部分，根据从风接收到的动力的理想特征曲线执行发电机转矩的调整。转速和动力之间的数学关系从如下公式中得到：

$P_{\mathrm{Aero}}={[2\·\mathrm{\π}\·r_{\mathrm{rot}}\·\frac{n_{\mathrm{gen}}}{{\stackrel{\·\·}{u}}_{\mathrm{getr}}}\·\frac{1}{60}\·\frac{1}{\mathrm{\λ}\left(n_{\mathrm{rot}}\right)}]}^3\·\mathrm{\π}\·r_{\mathrm{rot}}^2\·\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{luft}}}{2}\·c_p\left(n_{\mathrm{rot}}\right)$

r_rot表示转子叶片的半径，n_gen表示发电机转速，ü_getr表示齿轮箱的传动比。λ(n_rot)表示转子根据转子转速的高速指数(high speed index)，ρ_luft表示空气的密度，而c_p(n_rot)描述了转子叶片根据转子的转速的动力系数。

前述用于动力的关系可以根据控制***的技术设计连续地计算，或者根据转速存储在表格中。从风接收的动力与发动机动力之间的物理关系的使用确保了，在转速值n₄和n₁之间的范围内，总是施加最大的动力输出。

第二特征曲线段20邻接第一转速值。在特征曲线的第二段20，转矩迅速增大到标称转矩的值M_n。因此，转速从值n₁增大到第二转速值n₂。因此，第二转速n₂与用于风力装置的标称转速n_n相比可以是相同或小于该标称转速n_n的。在特征曲线的邻接段22，呈现满载荷操作，其中，执行节距角度的调节。第三特征曲线段22适用于高于n₂的转速。超过第五转速n₅，施加于转子的转矩由节距调节而降低。风力装置的动力与转矩和转速成比例，因此在特征曲线的第三段中高于n₅时出现动力的降低。

特征曲线的第四段24邻接特征曲线的第三段22。相关转速范围的特征在于转速值n₂和n₃。满载荷操作出现在特征曲线的第四段中，此外，尽管在风力装置的起动期间，在这些转速上还没有出现满载荷运行。

由于起出值n₃之外的转速下降，转矩沿着特征曲线的第五段减小。减小以基本上线性方式进行。在转速值n₄，特征曲线返回到第一特征曲线段。在第四和第五特征曲线段，持续地监视转子叶片的节距是否仍然超过预定的最小值时，例如2°，仅仅是在理论上达到沿着第五特征曲线段的转速值n₄。如果没有超过节距的最小值，即在满载荷操作，节距在中间时期已经减小到如此的程度以致于其低于最小值，控制***沿着第六特征曲线段28或29返回，直到从第一和/或第二特征曲线再次达到该数值。因此，第五特征曲线段形成了曲线值的包络线(envelope)，从此包络线出发，控制***从满载荷操作到部分载荷操作经由第六特征曲线段28返回。与其它特征曲线段相比，第六特征曲线段没有固定在其绝对位置，而是由其负梯度和其在第五特征曲线段上的起点所限定。第五特征曲线段上的起点由用于节距的最小值所限定。在图中，例如，示出了两个特征曲线分支28和29，沿着这两个分支进行返回到部分载荷操作。

与根据本发明的方法一起使用的特征曲线具有滞后(hysteresis)，这导致风力装置的改善的动力输出。在这一点上，从第三特征曲线段22到第四特征曲线段24的转变是很重要的。从而限定了，当对于来自范围[n₃，n₂]的一转速，存在一调节角，该角大于限定的最小角时，发生按照第四特征曲线段24的控制。优选地，限定了最小角为2°。因此，如果在转速降低时仍然出现2°或更大的节距时，控制***不会象纯粹转速控制那样返回到特征曲线的第二段20，但是保持满载荷操作并且转换至第四段。其背景是***使用在转子运动期间存储的动能以继续产生一最大的转矩。仅仅在已经达到用于满载荷操作的下限n₃时，随着转矩降低，控制***才按照第五段返回到部分载荷操作。用于返回到部分载荷操作的节距的最小值不一定与设置成分支成第四特征曲线段的最小角度相同。

Claims (10)

1.一种根据特征曲线，基于转速控制和调节风力装置的转矩和节距的方法，其中

-在特征曲线的第一段(10)的部分载荷操作，转矩被调节，以达到第一预定转速(n₁)，

-在特征曲线的第二段(20)的部分载荷操作，转矩被调节，以便从第一预定转速(n₁)达到第二转速(n₂)，

-在特征曲线的第三段(22)的满载荷操作，转子叶片的至少一个节距被调节，以使转速大于第二转速(n₂)，

-如果根据特征曲线的第三段(22)已经在先进行了控制，并且如果在满载荷操作下转子叶片的节距超过预定最小值，则在特征曲线的第四段(24)的满载荷操作下，节距被调节，以使转速低于第二转速(n₂)并且大于第三转速(n₃)，

-如果根据特征曲线的第四段(24)已经在先进行了控制，在特征曲线的第五段(26)的部分载荷操作，调节转矩用于低于第三转速(n₃)的转速。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，在特征曲线的第四和第五段(26)，当超过最小节距时，控制***经特征曲线的第六段(28；29)返回到特征曲线的第一段或第二段(18，20)。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于，在特征曲线的第六段(28；29)，转矩随着转速的升高而降低。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于，用于节距的预定最小值大于0.5°且小于5°。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于，用于节距的预定最小值大于1°且小于3°。

6.根据权利要求1的方法，其特征在于，在特征曲线的第一段(10)，转矩随着转速的升高而升高，直到转速已经达到第一预定转速值(n1)。

7.根据权利要求1的方法，其特征在于，在特征曲线的第二段(20)，转矩随着转速的升高比在第一段更迅速地升高。

8.根据权利要求1的方法，其特征在于，在第三段，达到预定转速(n₅)时，进行调节，以使转矩达到恒定值。

9.根据权利要求8的方法，其特征在于，在特征曲线的第三段，超过预定转速(n₅)时，转速增大，转矩降低。

10.根据权利要求1的方法，其特征在于，在特征曲线的第五段(26)，转矩随着转速的升高比在第一段(10)更迅速地升高。

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